Új utak, alternatív megoldások keresése a repülésben

Az üzemanyagcellákkal kapcsolatos kutatások már az 1800-as években megkezdődtek és napjainkban is sok kutatót, tervezőt foglalkoztat a kérdés, hogyan tehetnék hatékonyabbá ezeket az eszközöket. 

Technológiai háttér

Az üzemanyagcellák története 1838-ban kezdődött, a német-svájci Christian Friedrich Schönbein és a walesi fizikus, William Robert Grove laboratóriumaiban. Közös kísérleteket folytattak az üzemanyagcellákkal kapcsolatban. Sajnos azonban olyannyira nehéz volt a szükséges anyagokhoz hozzájutniuk, hogy kísérleteik kudarcba fulladtak, és találmányuk porfogó iratkupaccá vált majd egy évszázadig. 100 évvel később azonban amerikai ürkutatók az elméletet a gyakorlatba ültették át, és egy üzemanyagcellát a világürbe juttattak az Apollo ürkapszula fedélzetén.

Az elektrokémiai reakció a polimer elektrolit membrán (PEM) üzemanyagcellában, a membrán elektróda készülékben történik (MEA): a hidrogén és az oxigén folyamatosan áramlik a MEA két elektródájába: a hidrogén az anódba, az oxigén pedig a katódba. A két elektródát egy polimer membrán választja el egymástól. Katalizátor segítségével a hidrogén pozitív töltésü protonra és negatív töltésü elektronra osztódik. A polimer membrán azonban csak a protonok áramlását teszi lehetővé, míg az elektronok kénytelenek megfordulni, s egy elektromos vezetőn haladva át, elektromos áram keletkezik. Végezetül az elektronok és protonok újra egyesülnek a katódon oxigénnel lépve reakcióba, melynek eredményeképpen víz képződik.

Az oxigén, mint oxidálószer, bőséges mennyiségben áll rendelkezésre a természetben. Az üzemanyagcellák számára az oxigén a levegőből nyerhető ki. A levegő oxigéntartalma hozzávetőleg 21%. Az elektrokémiai reakció után, melynek során az üzemanyagcellák elhasználják a levegő oxigéntartalmát, megmarad a levegő többi összetevője: nitrogén, nemesgázok valamint széndioxid. E három alkotja végül azt a semleges, reakcióra képtelen (inert) gázelegyet, melyet az üzemanyagcellák kibocsátanak a katódon. És miként a melléktermékként keletkező hő és víz is hasznosítható, a katód gáz szintén újra felhasználható a repülőben. Az itt termelődő gázt a kerozintartályba bevezetve ugyanis csökken a kerozin-levegő elegy gyúlékonysága, ezáltal megelőzhető a robbanás.

Hidrogénhajtással a levegőbe

Az Antares DLR-H2 típust – mely az első ember által vezetett, kizárólag hidrogénhajtású (H2) repülőgép - a Német Ürügynökség (DLR) és a Lange Aviation építette annak érdekében, hogy teszteljék az üzemanyagcellákban rejlő lehetőségeket repülési alkalmazások számára. A zajtalanul repülő gép müködése során nem keletkezik az üzemanyag elégéséből fakadó füst és egyéb szennyezőanyag sem. Az üzemanyagcella rendszer, mely mindezt lehetővé teszi, a szárnyak alatt található rekeszekben van elrejtve. Itt generálódik az elektromos motor és a fedélzeti elektronika számára szükséges áram. A rendszer lelke egy membrán elektróda készülék (röviden: MEA), melyet a BASF üzemagyag cella (BASF Fuel Cell, BFC) divíziója fejlesztett ki. A készülékben az oxigén és a hidrogén reakciójából származó kémiai energia közvetlenül elektromossággá és hővé alakul.

Dr. Carsten Henschel, a BASF üzemanyagcella divíziójának képviselője szerint akkor, mikor drasztikusan csökken az energiahordozók mennyisége, az üzemanyagcella megoldást jelenthet a stabil energiaellátásra, hiszen hidrogént számos módon fejleszthetünk: szél és napenergiából, természetes gázból vagy dízelolajból. Sőt, az új technológia sokkal hatékonyabb, mint a hagyományos, s a rendszer által kibocsátott egyetlen gáz nem más, mint csupán vízgőz.

Kihívások

A fejlesztők számára most az a legnagyobb kihívás, hogy az üzemanyagcella rendszer mérete a lehető legkisebb és legkönnyebb legyen a széleskörü alkalmazhatóság érdekében. Ehhez pedig arra van szükség, hogy a rendszer ne legyen bonyolult; minél kevesebb alkatrészből álljon. A hagyományos, alacsony hőmérsékletü üzemanyagcellák legfeljebb 80°C-os hőmérsékleten müködnek. Számos alegység és komplex ellenőrző rendszer szükséges a biztonságosságukhoz a földön vagy éppen nagy magasságokban. A BASF által kifejlesztett MEA új távlatokat nyit a rendszerfejlesztők előtt, ugyanis ez már tartalmaz egy - az üzemanyagcellák számára készített, kereskedelmi forgalomban elérhető - membránt, mely akár 180°C-os Celsius fokos üzemi hőmérsékletet is lehetővé tesz. Az innovatív rendszer Celtec márkanév alatt került forgalomba. Azok az üzemanyagcellák, melyek a Celtec-kel vannak felszerelve, levegővel hüthetők, és nem szükséges vízzel nedvesíteni a biztonságos müködtetéshez. A Celtec alkalmazásával továbbá nincs szükség légpárásítókra, vízpumpákra, tartályokra, szelepekre és tisztítórendszerekre sem. A Celtec egyedülálló hatékonysága első látásra egyáltalán nem szembetünő. A tenyérméretü, szuper vékony téglalap első pillantásra olyan, mint egy átlagos müanyag film. A BASF kutatómérnökeinek azonban sikerült egy olyan poli-benzimidazol alapú membránt fejleszteniük, amely rendkívüli hőálló képességgel is bír. (Ezt a speciális anyagot használják egyébként a tüzoltók védőfelszerelésén is.) A magas üzemi hőmérséklet megakadályozza azt is, hogy a hidrogén szennyeződése lerakódjon a platinával bevont elektródára (anód). A MEA-ban a platina katalizátorként müködik, mely az elektrokémiai reakció létrejöttért felel. A hidrogén szennyeződése megakadályozná a platina-katalizátor müködését. Mivel a magas hőmérsékletü üzemanyagcellák magasabb hidrogén szennyezettséget tolerálnak, mint az alacsonyabb hőmérsékletü üzemanyagcella rendszerek, a hidrogén tisztítása is könnyebbé válik – ezáltal stabilabb, egyszerübb és olcsóbb is a rendszer.

"A Celtec-nek köszönhetően az üzemanyagcella rendszerek ma már harmadával kevesebb alkotóelemből állnak. Ez pedig 40 százalékos költségcsökkenést jelent. A magas hőmérsékletü membrán kifejlesztése végre kereskedelmi értelemben is érdekessé tette az üzemanyagcellákat. " – teszi hozzá a Henschel, a BASF szakértője.

Annak érdekében, hogy az üzemanyagcella képes legyen elég áramot termelni, például az Antares motorjának meghajtásához, több cellát kötöttek össze. Erre azért volt szükség, mert egyetlen cella mindössze 600-700 mV feszültséget állít elő. Az Antareshez egy dán cég, a Serenergy készített egy speciális, ultrakönnyü, léghütéses cellablokkot, amely több száz Celtec MEA-val ellátott üzemanyagcellát tartalmaz. Minden egyes MEA cella elektromosságot vezető grafitlapok mátrixában kapott helyet. Ezek a grafit lapok kötik össze az egyes cellákat, vezetik az elektromosságot, és speciális vezetékeken keresztül hidrogénnel és oxigénnel is ellátják a MEA-kat. Egyesített erővel így annyi áram termelhető, amely már a magasba tudja röpíteni az Antarest.

Jövőkép

"Az Antares-szel történő tesztrepülések után az üzemanyagcellákat be akarjuk építeni az Airbus A320-as gépünkbe is, ugyanis azt kívánjuk elérni, hogy a széles testü gépek fedélzeti áramellátása is hatékonyabb legyen." – magyarázza Dr. Josef Kallo, a stuttgarti székhelyü Német Ürügynökség munkatársa. Ha széles testü gépekbe építenénk az üzemanyagcellákat, valódi mindenessé válnának. Nem csupán az energiaellátásért lennének felelősek, de a keletkező melléktermékek is hasznosíthatók volnának. A hőt fagymentesítésre, a vizet a mosdók vízellátására hasznosíthatnánk. Úgy tervezzük, hogy a DLR 2010-re befejezi az Antares tesztelését, s azt követően alkalmazni fogjuk az üzemanyagcellákat a DLR A320 ATRA gépén, egy igazi, széles testü repülőgépen.

Már most komoly érdeklődés mutatkozik a BASF Celtec iránt. Éppen ezért a német vegyipari óriás a cég frankfurti üzemanyagcella gyártó létesítménye mellett egy másik gyártókapacitást is létesít a várható igények kiszolgálására. Az új gyártósort az USA-ban, Somersetben (New Jersey) létesítik, még ezév nyarán.

A BASF Európában is stabil ügyfélkörre számíthat és kutatásfejlesztési támogatást kapott az Európai Bizottságtól és a Német Szövetségi Kormánytól is az üzemanyagcellákban rejlő lehetőségek maximális kiaknázására. 150 vállalat és intézmény bízik a Celtec sikerében. Az „üzemanyagcellák” ugyanis most lépték át azt a küszöböt, amely a laboratóriumi kísérleteket a gyakorlati alkalmazástól és a piaci forgalmazástól elválasztja.

A magas hőmérsékletü üzemanyagcellák hamarosan “mobil” alkalmazások számára is elérhetőek lesznek, hogy például áramot és hőt lehessen termelni velük kempingezés közben, de a távolabbi jövőben az autóipar számára is komoly lehetőségeket rejt magában a technológia. A fejlesztések ígéretesek a mobiltelefon és laptopgyártók számára is, melyek úgy tekintenek az üzemanyagcellákra, mint olyan megoldásra, mely akár megötszörözheti az eszközök akkumulátorainak életciklusát.